一、研究背景

低维异质结构中的对称性破缺可为凝聚态物理中产生新兴量子现象提供前所未有的可能性。一般来说，位于原子尖锐的半导体/电介质界面上的范德华（vdW）电介质可以打破目标材料的对称性，形成具有特定晶格失配的莫尔纹，从而展现出控制电子态的非凡能力，并进一步实现其中的奇异量子现象。基于 h-BN 介电质的异质界面已经展示了这些界面现象的实例，如Chern绝缘态、电荷密度波态和拓扑谷电流，其中 h-BN 介电质和通道材料（石墨烯或过渡金属二卤化物，TMDCs）在其界面上沿平面外轴都显示出三重旋转对称性（C3）。相反，不具有 C3 对称性的低对称介电材料（例如，具有 C2 对称性）原则上可以通过在界面上形成各向异性的莫尔势来打破单层半导体的 C3 对称性，从而产生奇异的光学响应和各向异性的电子传输，同时保留作为电介质的选通能力。因此，具有较低晶格对称性的 vdW 介电材料可以在对称性不匹配的界面上产生独特的莫尔势物理和附加的器件功能。然而，这种策略仍未得到实验证实。

二、研究成果

在此，南京大学袁洪涛教授，北京航空航天大学汤沛哲教授和日本东京大学Toshiya Ideue教授（共同通讯作者）等合作展示了一种独特的各向异性层状介电材料 SiP2，并揭示了其通过对称工程在各向同性 TMDC 半导体中产生巨大各向异性光学响应和电子传输的能力。他们实现了 SiP2 栅极 MoS2 晶体管的高性能，其通/断比大于 105，漏电流低（远低于低功率极限），并进一步观察到 SiP2 栅极 1L-MoS2 中的绝缘体-金属转变，这表明 SiP2 材料具有强大的介电能力。令人惊讶的是，在 1L-MoS2/SiP2 异质结构中观察到了线性偏振光致发光和各向异性二次谐波发生信号，这与原始 1L-MoS2 的各向同性特征形成了鲜明对比。值得注意的是，他们在 1L-MoS2/SiP2 异质结构中发现了大的各向异性电导，在 SiP2 门控作用下，可调各向异性指数达到了 1000 的可观数值，这是迄今为止所报道的包括各向异性材料在内的最大数值之一。他们的第一性原理计算显示，光学响应和电子传输中的这种巨大各向异性是由 1L-MoS2/SiP2 异质结构中产生的各向异性莫尔势造成的，它在异质界面上对 1L-MoS2 的结构和电子特性进行了强烈的重正化。需要注意的是，利用具有 C2 对称性的 SiP2 介电体打破 1L-MoS2 的 C3 对称性而进行的界面对称性工程，可被视为一种调整沟道半导体电子特性并在异质界面实现莫尔纹物理的策略。相关研究工作以“An anisotropic van der Waals dielectric for symmetry engineering in functionalized heterointerfaces”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。祝贺！

三、图文速递

图1. 使用具有非对称 C2 旋转对称性的 SiP2 介电材料栅极的高性能 MoS2 晶体管

为了评估 SiP2 电介质的性能，他们测量了具有双栅极几何形状的 MoS2 晶体管的传输特性（图 1a、b），其中 20 nm厚的 SiP2 和 300 nm厚的 SiO2 分别用作顶部和底部栅极介质。如图 1c 所示，当顶栅电压 Vtg-SiP2 上升到 5 V 时，5 nm 厚的 MoS2 晶体管的通/断比高达 105，与 h-BN 栅极 MoS2 晶体管的通/断比值相当，达到了众所周知的实际逻辑电路应用标准。相比之下，当将底栅电压 Vbg-SiO2 扫至 ~5 V 时，晶体管产生的通/断比小至 10，而需要超过 80 V 的大 Vbg-SiO2 才能实现 105 的通/断比（图 1c 插图）。这一对比直接表明，与 SiO2 相比，介电常数更大、厚度更小的 SiP2 栅极电介质可以实现很强的电容容量。在外部电场强度为 1.5 MV cm-1 时，SiP2 栅极 MoS2 晶体管测得的漏电流小至约 10-5 A cm-2（图 1d）。如此低的漏电流与 Al2O3、HfO2 或 Bi2SeO5 等高κ电介质栅极的晶体管相当，而且优于低功率极限和标准互补金属-氧化物-半导体栅极极限的标准。随着 Vtg-SiP2 的增加，当 Vbg-SiO2 固定在 35 V 时，2 K 时的场效应迁移率 μ 可达到约 600 cm2 V-1 s-1（图 1e）。

为了证明 SiP2 电介质的巨大栅极可调性，他们测量了随温度变化的片电阻 (Rs-T)，并观察到 1L-MoS2/SiP2 晶体管中的栅极诱导绝缘体-金属转变。如图 1f 所示，当 Vtg-SiP2 < 3.8 V 和 Vbg-SiO2 = 0 V 时，Rs-T 曲线显示出典型的绝缘行为，具有负温度系数 dRs=dT，并遵循热激活依赖性。

图2. TMDC/SiP2界面的各向异性光学响应

图3. MoS2/SiP2 异质界面的栅极可调各向异性传递特性

为了研究界面对称性对 MoS2 电子传输特性的影响，他们测量了 SiP2 栅极 1L-MoS2 晶体管沿 x（y）方向的电导 Gx（Gy）（图 3a）。图 3b 显示了不同 Vtg-SiP2 条件下 Gx 和 Gy 的比较。他们可以看到，当 Vtg-SiP2 < 1 V 时，各向异性指数 Gy/Gx 在关态时可高达 103（图 3c），这意味着使用 SiP2 介电质的对称性工程可以将 C3 对称 1L-MoS2 的各向同性电导率转变为高度各向异性的电子态。随着 Vtg-SiP2 的进一步增大，各向异性指数逐渐接近 1，这表明 1L-MoS2 在导通态恢复到了同位素导电态。在很宽的 Vbg-SiO2 范围内，Gx、Gy 和 Gy/Gx 指数也能实现这种连续调制（图 3d-f）。

为了证实这种各向异性电导源于 MoS2/SiP2 异质界面，他们通过将 MoS2 单层的厚度增加到 20 nm，比较了 SiP2 栅极 MoS2 晶体管的 Gx 和 Gy 值。结果，当 MoS2 的厚度增加到 20 nm 时，在关闭状态下，观察到各向异性指数 Gy/Gx 迅速下降到 ~1（图 3g），这表明在较厚的样品中电导几乎是各向同性的。

图4. MoS2/SiP2 异质界面的结构和电子特性

四、结论与展望

总之，他们展示了一种各向异性的范德华介电质 SiP2，它可以同时调节沟道半导体的电子态，并在 TMDC/SiP2 界面诱导对称工程。他们的第一性原理计算揭示了这些各向异性特性源于 MoS2/SiP2 异质结构中形成的各向异性对称莫尔势，它能强烈调节具有可调各向异性对称性的 1L-MoS2 的结构和电子特性。TMDC/SiP2 异质结构中的可调界面对称性为研究与对称性相关的界面物理和相应现象提供了一个独特的平台，包括面内极化的产生（体光电效应和量子偏移电流）和Berry曲率偶极子（圆光电效应和非线性霍尔效应）。TMDC/SiP2 异质结构中产生的巨大各向异性是原始 TMDC 材料所不具备的，它揭示了对称性降低的工程界面的莫尔纹物理学，并为控制凝聚态系统中电子的自由度提供了有效途径。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41295-6